JP5502267B2

JP5502267B2 - 原子炉の運転方法

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Publication number: JP5502267B2
Application number: JP2007201476A
Authority: JP
Inventors: 泰山本; 徹光武
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP2009036646A

Description

本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の運転方法に係るものであり、特にチャンネルボックス外部のバイパス部の水密度を運転サイクル初期に減少させることにより、余剰反応度を調整することができる原子炉の運転方法に関する。

沸騰水型原子炉においては、例えば図４に示すように、炉心１００が格子状に配列された多数の燃料集合体１と、これらの燃料集合体１の４体の対向部間に対して１体ずつ配置された十文字形の制御棒２と、所定間隔で配置された局所出力領域モニタ２０等から構成されている。

また、図５に炉心１００の一部を拡大して示すように、燃料集合体１は、例えばウラン２３５からなる円柱ペレット状の核燃料物質６を封入した燃料棒３と非沸騰水が内部を通過するウォータロッド５とからなるバンドル（管束）を、チャンネルボックス４に収容し、その内部を沸騰水８により冷却する構成とされている。

炉心燃料を冷却する冷却水は各チャンネルボックス４間の隙間部であるバイパス部７にも流れる。このバイパス部７の流れは、非沸騰水である。制御棒２は、４体の燃料集合体４におけるバイパス部７の角部に配置されている。

近年、原子力発電の経済性向上や使用済み燃料低減の観点から、燃料の高燃焼度化が進められている。燃料の高燃焼度化を達成するためには、核燃料物質をより多く炉心に装荷しなければならないため、炉心への燃料棒体積の増加、特に燃料の濃縮度の増加が必要となる。

しかし、燃焼末期において臨界を達成するために最小限必要な核燃料物質を残存させなければならず、このため燃焼の長期化および高燃焼度化に伴って燃焼初期の余剰反応度が必然的に大きくなり、その抑制対策が重要となっている。

また、燃料の高濃縮度化に伴って軸方向ボイド分布に起因する出力ピーキングがより一層増大し、さらに、炉内滞在期間が異なることにより多種の燃料が炉心に混在することになるため、径方向出力ピーキングも増大する。これらの結果、最大線出力密度や最小限界出力比などの熱的余裕が減少する。

図６は、このような高燃焼度用燃料集合体の構成例を示しており、図６（ａ）は燃料集合体の縦断面図であり、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、それぞれ図６（ａ）のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線断面図である。

図６に示すように、燃料集合体１は長尺燃料棒３ａ，短尺燃料棒３ｂおよび太径ウォータロッド５をスペーサ９により正方格子状に束ね、これを上部タイプレート１０および下部タイプレート１１に固定して燃料集合体とし、チャンネルボックス４に収容してある。さらに、外部スプリング１３が長尺燃料棒３ａと上部タイプレート１０との間に介在してある。

短尺燃料棒３ｂは、長尺燃料棒３ａの全長の約２／３長さと上部が短い構成となっている。図４に示した燃料集合体１では、燃料棒配列が従来型の燃料の８行８列の構成から、９行９列として、燃料棒本数を増加してある。燃料棒本数の増加は、通常運転時において、炉心圧損が増大し、これによって原子炉の安定性余裕の低減をもたらす。

そこで、図６の燃料集合体１に設けられた短尺燃料棒３ｂにより、有効発熱部上部の高ボイド率域の流路面積を拡大し、燃料棒本数の増加による圧損の増大を打ち消すことができる。

また、原子炉停止時において、中性子束のピークは炉心上端から全長の１／４ないし１／３において生じるが、短尺燃料棒３ｂの導入により、中性子束ピーク位置での燃料棒本数が減少するため、中性子吸収材として作用する水の量の増加により、炉停止余裕を向上させることができる。

図７には、燃焼度に対する中性子無限増倍率変化を示している。この図７は、沸騰水型原子炉に用いられている代表的な燃料集合体に対して、燃料集合体内の冷却材流路におけるボイド率を一定（４０％）にして燃焼させた場合を破線で示し、最初高ボイド率（５０％）で運転して途中でボイド率を下げた（３０％）場合を実線で示している。

この図７に示したように、初めにボイド率を高くして燃焼させた後、ボイド率を下げることにより、燃焼の後期により高い無限増倍率を得ることができる。しかし、定格流量に対して７０％〜１１５％の流量変化幅とした場合でも、平均ボイド率は最大値４７％、最小値３４％であり、図示の０％〜３０％の変化幅より小さく、図の変化幅に達しない。

また、７０％流量に対する出口ボイド率は８０％以上の高ボイド率になると予想される。このように、炉心平均ボイド率による反応度調整については、燃焼初期の低流量高出力運転に炉心の熱的余裕との関係から制限があることから、平均ボイド率変化幅は限定されると考えられる。

なお、従来技術においては、燃焼初期の反応度制御の一手法として、ガドリニアなどの可燃性毒物を一部の燃料棒に混入することがなされている。ところが、可燃性毒物は核分裂により発生した中性子を吸収することから、反応度経済上好ましくないこと、燃料製造コスト増となること、さらに炉心への燃料装荷量が減少するなど種々の問題点がある。

また、他の方法として炉心平均ボイド率と無限増倍率との関係に基づき、燃焼初期に炉心流量を下限値として炉心平均ボイド率を上げ、燃焼後期に炉心流量を上限値として炉心平均ボイド率を下げて反応度補償を行う流量スペクトルシフト運転が特許文献１に記載されている。

また、ウォータロッド内流れの入口差圧を炉心流量で制御し、内部の水位を可変とする方法が特許文献２に記載されている。この文献２によると、燃焼初期に炉心流量減少により水位を下げ、水が存在しない炉心上部で減速材密度を小さくして中性子の減速を抑え、燃焼末期には炉心流量増大によりウォータロッド内を満水にして、中性子減速抑制をなくすることにより、燃焼に伴う炉心の反応度調整を行うことができると考えられる。

しかし、炉心流量は前述したように、大幅な変更が困難であるという事情があり、水ロッド内の水位を大幅に変えることはできない。また、燃料集合体の冷却材流量は燃料集合体の出力や軸方向出力分布などにも依存することから、炉心流量により炉心内の流量分布を制御する方式では不確かさが生じる。そのため、炉心流量により制御を行う方式では、ウォータロッド内の水位が炉心内の燃料集合体ごとに大きなばらつきが生じるという欠点があると考えられる。

以上に示した従来技術による燃焼初期の反応度制御方式は、短尺燃料棒、燃料に混入する可燃性毒物、炉心平均ボイド率、またはウォータロッド（減速棒）内の非沸騰水の水位を制御するものであった。これらの技術以外にも、たとえば特許文献３，４に記載されているように、種々の提案がされている。
特開平７−１２８４８９号公報特開２００２−３２８１９２号公報特開平５−１１０８１号公報特開平１０−２５３７８７号公報

上述のように、原子力発電の経済性向上や使用済み燃料の低減の観点から燃料の高燃焼度化が進められているが、燃料の高燃焼度化を達成するためには核燃料物質をより多く炉心に装荷しなければならないため、必然的に燃料の濃縮度を増加することが必要である。

しかし、燃焼末期において臨界を達成するために最小限必要な核燃料物質が残存しなければならないことから、燃焼の長期化および高燃焼度化に伴い、燃焼初期の余剰反応度は必然的に大きくなり、その抑制対策が重要となる。そして従来では、チャンネルボックス外部のバイパス部の水密度変化に着目した方式は知られていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、炉心流量に関係なく、また流量スペクトルシフト運転のような炉心流量下限値において炉心の熱的余裕の低減が生じることなく、燃焼初期の余剰反応度を抑制することができる炉心の運転方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明では従来制御されることがなかったチャンネルボックス外部のバイパス部の水密度を、運転サイクル初期に減少させることにより、余剰反応度を調整する方法を提供する。

本発明にかかる原子炉の運転方法は、多数の燃料棒がチャンネルボックスに収容されている燃料集合体を原子炉圧力容器内の炉心部に縦長配置で装荷し、炉心冷却水を前記チャンネルボックスの下方から前記チャンネルボックスの内部および前記チャンネルボックス外部のバイパス部に上昇流として供給する原子炉の運転方法において、前記バイパス部に供給される前記炉心冷却水の平均水密度を運転サイクル初期に減少させ、運転サイクル末期に増加させるとともに、前記バイパス部に供給される前記炉心冷却水の平均水密度を前記運転サイクル初期に減少させる工程として、前記チャンネルボックス外部の中性子およびガンマ線による発熱量を制御し、前記チャンネルボックス外部の中性子およびガンマ線による発熱量の制御として、前記チャンネルボックス外部のバイパス部に配置され中性子吸収材が内蔵された制御棒の挿入位置調整により行い、前記制御棒には、前記中性子吸収材のさらに上部の上端部に中性子またはガンマ線により発熱する材料を有するものを適用する。

さらに、前記チャンネルボックス外部のバイパス部に流れる炉心冷却水の流量を制御する工程として、制御棒の挿入および引抜き操作を行うことが望ましい。

本発明によれば、炉心流量に関係なく、また流量スペクトルシフト運転のような炉心流量下限値において、炉心の熱的余裕の低減が生じることなく、燃焼初期の余剰反応度を抑制できる炉心の運転方法を提供することができる。

これにより、従来制御されることになかったチャンネルボックス外部のバイパス部の水密度を、運転サイクル初期に減少させることにより、余剰反応度を調整することができる。

ここで、バイパス部の水密度を運転サイクル初期に減少させる手段として、チャンネルボックス外部における中性子およびガンマ線による発熱量を増大させ、また、チャンネルボックス外部のバイパス部に流れる炉心冷却水の流量を減少させるものとすることが可能である。

また、炉心に設けられている制御棒を有効発熱部下部に挿入することにより発熱量を増大させることが可能である。さらに、制御棒上部に中性子またはガンマ線などの放射線吸収による発熱体を設けることが可能である。

以下、本発明に係る原子炉の運転方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、従来例において使用した図面（図４、図５、図６、図７等）も参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるアウトチャンネルボイド率と炉心平均ボイド率との関係を示す説明図であり、図２は無限増倍率変化を示す説明図である。図３は径方向ピーキング係数変化を示す説明図であり、図４は炉心を示す構成図である。図５は炉心燃料集合体と制御棒配置を示す説明図（横断面図）であり、図６は高燃焼度燃料集合体の例を示す説明図である。図７は、炉心平均ボイド率変化に対する無限増倍率の燃焼度変化を示す説明図である。図８は減速材対燃料比と中性子無限増倍率との関係を示す図であり、図９は本実施形態による上部発熱体付き制御棒を示す図である。

例えば沸騰水型原子炉等の軽水型原子炉においては、炉心内を流れる水が中性子の減速材として重要な役割を果たすものであり、炉心１００内部の減速材と燃料物質との体積比、減速材対燃料比は高速中性子エネルギおよび共鳴中性子エネルギ領域での中性子吸収率に関係し、炉心核設計において重要な指標となっている。

微濃縮ウランを用いる場合、熱外中性子の吸収反応の大半は、例えばＵ_２３８のような親物質への捕獲反応であり、核分裂によるエネルギ発生と中性子の増倍には寄与しない。これに対して、減速材対燃料比が増加すると、核分裂中性子が熱中性子エネルギまで減速される割合が増加する。

熱中性子炉では、熱中性子の増加に伴って、Ｕ_２３５への中性子吸収が増加し、核分裂に寄与する中性子が増えるため、無限増倍率が大きくなる。しかし、減速材対燃料比の増加による中性子の減速が飽和すれば、それ以上減速材対燃料比が増加しても、水による中性子の吸収が増加する効果が支配的となり、無限増倍率は減少する傾向にある。

すなわち、減速材対燃料比と無限増倍率との関係は一般に、図８に示したように、極大値を持つ分布となる。設計上、炉心出力が増加してボイド率が増加し、減速材対燃料比が減少したときに中性子無限増倍率が減るように、図８に点Ｘで示す最大点よりもわずかに減速不足の状態で設計されている。

沸騰水型原子炉の核設計において用いられる減速材体燃料比の評価には、バイパス領域は非沸騰水（アウトチャンネルボイド率α_Ｏ＝０）が仮定されており、チャンネルボックス４内部の一様なボイド率（インチャンネルボイド率α_ｉｎ）を用いた中性子計算モデルが用いられている。

チャンネルボックス４の外側の水ギャップ２１は燃料集合体１の内部の径方向出力ピーキングに大きな影響を及ぼすことが知られており、同時に、チャンネルボックス４内部の水密度に比べて、その感度は小さいながらも、無限増倍率へ大きな影響を及ぼす。

また、図５に示した水ギャップ２１の幅ｄ_２は、チャンネル幅ｄ_１に対して現行炉では１０％程度に設定されているが、バイパス部７のインチャンネルに対する冷却水の流路面積比は０．５またはそれ以上であり、チャンネルボックス４の外側の方がチャンネル内側と同じかやや広い設計がなされている。このことから、断面平均の炉心平均ボイド率という観点からは、チャンネルボックス４外側のボイド率の影響が相対的に大きくなっている。

そこで、本実施形態では、チャンネルボックス４外側におけるボイド率を制御することにより、例えば、図５に示したように、「水ギャップｄ_２＋チャンネル幅ｄ_１」を単位とする断面内の平均水密度が、燃焼初期において、一定のチャンネルボックス４内側のボイド率条件に対して、より高いボイド率を実現することができる。

すなわち、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内の炉心１００部に、多数の燃料棒３がチャンネルボックス４に収容されている燃料集合体を縦長配置で装荷し、炉心冷却水をチャンネルボックス４の下方からチャンネルボックス４の内部およびチャンネルボックス４間の外部バイパス部７に上昇流として供給する原子炉の運転方法において、バイパス部７に供給される炉心冷却水の平均水密度を運転サイクル初期に減少させ、運転サイクル末期に増加させる原子炉の運転方法とするものである。

また、バイパス部に供給される炉心冷却水の平均水密度を運転サイクル初期に減少させる工程として、チャンネルボックス４外部の中性子およびガンマ線による発熱量を制御する。

また、バイパス部に供給される炉心冷却水の平均水密度を運転サイクル初期に減少させる工程として、チャンネルボックス４外部のバイパス部に流れる炉心冷却水の流量を制御する。

図１は、本実施形態によるアウトチャンネルボイド率α_Ｏ（α_ｏｕｔ）、インチャンネルボイド率α_ｉｎ、と炉心平均密度ρｌとの関係を示す特性図であり、従来技術と対比して示してある。

この図１に示すように、従来技術のチャンネルボックス４外部を非沸騰水とするチャンネルボックス４内部の平均ボイド率α_ｉｎ＝４０％に対して、本発明のチャンネルボックス４外部の平均ボイド率α_Ｏ＝２０％とすることにより、チャンネルボックス４内部の平均ボイド率が５０％より高いボイド率相当の運転が可能となる。

それにより、本実施形態では図２に実線で示すように、同一の燃料集合体設計に対して、燃焼末期の無限増倍率を増加させることができる。

また、本実施形態では図３に実線で示すように、外周ロッド近傍のロッドピーキングが下がる効果により、燃焼初期のロッドピーキング最大値を低減させることができる。

図９には、上部発熱体１２付き制御棒２を示している。すなわち、制御棒２には、その上端部に中性子またはガンマ線により発熱する材料により構成された十文字形を有する上部発熱体１２が、制御棒２と一体に構成されている。具体的には、放射線吸収により発熱する材料には、中性子の吸収断面積の大きな材料として、天然ウラン、減損ウラン、Ｂ_４Ｃ、Ｈｆ、酸化ユーロピウムＥｕ_２Ｏ_３があり、γ線の吸収断面積の大きな材料として原子番号の大きい元素である、Ｈｆ、ＨｆＯ_２、Ｚｒ−Ｈｆ合金が知られている。上部発熱体１２はこれらの材料を用いて構成されている。

また、本実施形態では、チャンネルボックス４の外部の中性子およびガンマ線による発熱量の制御として、チャンネルボックス４外部のバイパス部に配置され、中性子吸収材が内蔵された制御棒２の挿入位置調整により行う。

さらに、本実施形態ではチャンネルボックス４外部のバイパス部２１に流れる炉心冷却水の流量を制御する工程として、制御棒２の挿入および引抜き操作を行う。

以上の本実施形態によれば、炉心流量に関係なく、また流量スペクトルシフト運転のような炉心流量下限値において、炉心１００の熱的余裕の低減が生じることなく、燃焼初期の余剰反応度を抑制できる炉心１００の運転方法を提供することができる。

これにより、従来制御されることになかったチャンネルボックス４外部のバイパス部の水密度を、運転サイクル初期に減少させることにより、余剰反応度を調整することができる。

なお、バイパス部の水密度を運転サイクル初期に減少させる手段として、チャンネルボックス４外部における中性子およびガンマ線による発熱量を増大させ、また、チャンネルボックス４外部のバイパス部に流れる炉心冷却水の流量を減少させるものとすることが可能である。

また、炉心１００に設けられている制御棒２を有効発熱部下部に挿入することにより発熱量を増大させることが可能である。また、制御棒２上部に中性子またはガンマ線などの放射線吸収による発熱体を設けることが可能である。

すなわち、アウトチャンネルボイド率を制御する方式により、インチャンネルボイド率を大幅に変更したのと等価的な水密度変化が可能な原子炉炉心の運転方法提供することができる。

本発明の一実施形態によるアウトチャンネルボイド率と炉心平均ボイド率との関係を示す特性図。本発明の一実施形態による無限増倍率変化を説明する特性図。本発明の一実施形態による径方向ピーキング係数変化を説明する特性図。炉心全体を示す平面図。炉心燃料集合体と制御棒配置とを示す説明図。（ａ）は高燃焼度燃料集合体の例を示す断面図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線断面図。本発明の一実施形態による炉心平均ボイド率変化に対する無限増倍率の燃焼度変化を示す特性図。本発明の一実施形態による減速材対燃料比と中性子無限増倍率との関係を示す特性図。本発明の一実施形態による上部発熱体付き制御棒を示す斜視図。

符号の説明

１燃料集合体
２制御棒
３燃料棒
４チャンネルボックス
５水ロッド
６核燃料物質（ペレット）
７バイパス部
８沸騰水
９スペーサ
１０上部タイプレート
１１下部タイプレート
１２上部発熱体
１３外部スプリング
２０計装管
２１水ギャップ
１００炉心
ｄ１チャンネルボックス外幅
ｄ２水ギャップ幅

Claims

多数の燃料棒がチャンネルボックスに収容されている燃料集合体を原子炉圧力容器内の炉心部に縦長配置で装荷し、炉心冷却水を前記チャンネルボックスの下方から前記チャンネルボックスの内部および前記チャンネルボックス外部のバイパス部に上昇流として供給する原子炉の運転方法において、前記バイパス部に供給される前記炉心冷却水の平均水密度を運転サイクル初期に減少させ、運転サイクル末期に増加させるとともに、
前記バイパス部に供給される前記炉心冷却水の平均水密度を前記運転サイクル初期に減少させる工程として、前記チャンネルボックス外部の中性子およびガンマ線による発熱量を制御し、
前記チャンネルボックス外部の中性子およびガンマ線による発熱量の制御として、前記チャンネルボックス外部のバイパス部に配置され中性子吸収材が内蔵された制御棒の挿入位置調整により行い、
前記制御棒には、前記中性子吸収材のさらに上部の上端部に中性子またはガンマ線により発熱する材料を有するものを適用することを特徴とする原子炉の運転方法。
前記バイパス部に供給される炉心冷却水の平均水密度を運転サイクル初期に減少させる工程として、前記チャンネルボックス外部のバイパス部に流れる炉心冷却水の流量を制御する請求項１に記載の原子炉の運転方法。
前記チャンネルボックス外部のバイパス部に流れる炉心冷却水の流量を制御する工程として、制御棒の挿入および引抜き操作を行う請求項２記載の原子炉の運転方法。